指導教授：陳秋麟臺灣大學：電子工程學研究所康一成Kang, Yi-ChenYi-ChenKang2014-11-302018-07-102014-11-302018-07-102014http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/263863　　本論文提出一種校正頻率的方法，此方法能夠追蹤超音波換能器的最佳運作頻率。超音波換能器利用壓電效應使能量在電能與聲能之間轉換，然而由於超音波換能器的最佳運作頻率會因為環境變化、製造飄移或損耗而偏離原有設計的頻率，偏離最佳運作頻率將導致超音波強度減弱。 　　本論文利用所提出的校正方法，設計一個能自動校正超音波換能器頻率的驅動電路。使用掃頻的方式觀察驅動電壓與電流的相位差，藉此推測換能器的最佳運作頻率。使用方波電壓驅動的方式，減小換能器中並聯電容造成的電流相位偏移。然後用積分器收集相位與電流振幅資訊，以擴大頻率追蹤的範圍。在實驗中使用三種不同特性的超音波換能器進行校正，實驗結果顯示經過校正後的驅動頻率誤差在0.86 %以內。In this thesis, a calibration method which traces the proper operating frequency of an ultrasonic transducer is proposed. The ultrasonic transducer converts electrical energy into acoustical energy and vice versa. However, the characteristics of piezoelectric materials will change with the environment, the process deviation, the damage of the material and so on. Thus, the proper operating frequency of the ultrasonic transducer will not be the same in different circumstances. The drift of the proper operating frequency may decrease the strength of the ultrasonic wave. In this thesis, a driving circuit for the ultrasonic transducer with automatic frequency calibration has been designed. A control circuit detects the phase difference between the driving voltage and the input current to obtain the proper operating frequency. The transducer is driven by square wave in order to reduce the effect of the parallel capacitance, which gives the input current an unwanted phase shift. An integrator collects the information from the phase difference and the input current amplitude to extend the frequency tracing range. Finally, we conducted experiments with three ultrasonic transducers which have different characteristics. The experimental results show that the operating frequencies are calibrated with errors less than 0.86 %.誌謝 i 中文摘要 ii 英文摘要 iii 目錄 iv 圖目錄 vii 表目錄 ix 第一章 緒論 1 1.1背景 1 1.2壓電效應 2 1.2.1壓電效應原理 2 1.2.2壓電材料種類 3 1.2.3壓電材料應用 3 1.3研究動機與目的 5 1.4論文架構 5 第二章 傳統頻率校正方法 6 2.1壓電等效電路 6 2.1.1電路模型 6 2.1.2二次以上諧振頻率之考慮 7 2.1.3最佳運作頻率 8 2.1.4關鍵頻率 9 2.1.5模型參數量測 10 2.2傳統校正方法 11 2.2.1以電流振幅追蹤串聯共振頻率之方法 11 2.2.2以零相位點追蹤串聯共振頻率之方法 11 2.2.3量測問題 12 2.2.4方波驅動 14 2.2.5方波驅動下以電流振幅追蹤串聯共振頻率之方法 15 2.2.6方波驅動下以零相位點追蹤串聯共振頻率之方法 16 2.2.7方法總結 19 第三章 電流積分頻率校正方法與實現電路 20 3.1積分方法 20 3.1.1積分方法概述 20 3.1.2積分方式追蹤零相位點之方法 21 3.1.3遠離串聯共振頻率之情況 23 3.2量測方法 24 3.2.1電流方向量測方法 24 3.2.2積分器量測方法 25 3.3全橋電壓式架構實現超音波換能器驅動電路 27 3.3.1電路架構 27 3.3.2驅動電路與積分器運作流程 28 3.3.3頻率校正控制流程 31 3.3.4量測電路非理想效應 33 3.4電路設計 35 3.4.1參考電壓設計 35 3.4.2積分電阻設計 35 3.4.3積分電容設計 38 第四章 實驗結果 40 4.1實驗環境 40 4.1.1實驗電路 40 4.1.2實驗樣品參數 41 4.2電路動作波形 42 4.2.1驅動頻率位於串聯共振頻率之情況 42 4.2.2驅動頻率略低於串聯共振頻率之情況 43 4.2.3驅動頻率略高於串聯共振頻率之情況 45 4.2.4串聯共振頻率前後波形之比較 46 4.2.5遠離串聯共振頻率之波形 47 4.3頻率校正 48 4.3.1頻率追蹤波形 48 4.3.2頻率追蹤結果 49 4.4實驗總結 51 第五章 結論與展望 53 5.1結論 53 5.2未來展望 54 參考文獻 554015317 bytesapplication/pdf論文公開時間：2019/08/16論文使用權限：同意有償授權(權利金給回饋學校)壓電效應超音波換能器頻率校正驅動電路電流積分方法thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/263863/1/ntu-103-R01943016-1.pdf